Xi安地裂缝对地铁洞室围岩稳定性影响的研究？

Xi安市区附近有11地裂缝，这些地裂缝覆盖活跃，在Xi安地铁建设过程中不可避免地会与这些地裂缝交叉，必然会影响洞室围岩的稳定性。在我国地裂缝地区进行地铁建设尚属首次。本文将地裂缝视为土[1]中的软弱面，分析了其对地铁洞室的影响机理。1区域工程地质环境1 1区域地质构造背景Xi安位于渭河盆地中部Xi安断陷东南部。第四纪Xi安断陷盆地中部的断裂因伸展作用而发育，盆地被近东西、北东-NEE和北西向的三组断裂分割成若干个小断块，Xi安地裂就发生在该区。研究区域西起三桥，东至灞桥，南至曲江池，北至胡坨寨-石家寨地区。地理位置为东经108 49 ' 00”~北纬34 12 ' 00”~ 34 19 ' 30”。面积约288平方公里，主要位于Xi市区。地势东南高，西高北低。根据地貌，该区可分为三个地形台阶:东南部为黄土高原，中部为黄土梁和河流阶地，西部为低河流阶地，自东南向北向西逐渐降低。黄土高原地势平坦，天然沟壑发育良好，黄土梁洼相间，地形起伏较大。河流阶地开阔平坦，水系发达，沟壑纵横。临潼-长安断裂在该区十分活跃，它是1的生长断裂，控制着盆地内Xi安断裂的东缘。临潼-长安断裂上盘有11条次级反倾活动断层，统称为Xi安正断层群。它们相互平行且等距。现代地裂缝活动前，隐伏于1 ~ 7m人工填土和耕层之下。Xi安正断层具有发育的特点，它活跃在300m m以上的地层中，这组正断层和地裂缝对Xi市政建设、工业与民用建筑、地铁等地下工程有着严重的影响。1 2岩土体工程地质特征及水文地质条件Xi市区无基岩出露。第四系松散土层分布广、厚度大，与Xi安地铁建设密切相关。从目前Xi地铁工程的利用情况来看，仅限于地面以下几十米的浅层部分。Xi安地区地下水主要分为潜水、浅层承压水和深层承压水。Xi的地裂缝主要分布在渭河二、三级阶地和黄土高原地区。第二阶地潜水含水层为晚更新世冲积含水层，总厚度20 ~ 30m，水位5 ~ 10m，富水性强。第三级阶地含水层为中更新统风积冲积含水层，总厚度20 ~ 50m，埋深10~20m ~ 20m。从Xi安多年的地下水位动态特征可以发现，Xi安的内远郊基本属于地下水位稳定区。从这个角度看，Xi安地裂缝的发生和活动与Xi安地下水位的变化无关。因此，在该地区潜水对地铁建设影响不大。Xi安及其郊区1 3地裂缝工程性质约150km2，悬挂在临潼-长安断裂上，11地裂缝由南向北发育(图1)[2]，其次为:f 1新开。陕西师范大学F2地裂缝；大雁塔F3地裂缝；F4小寨地裂缝；F5秦川机械厂地裂缝；F6和平门地裂缝；西北大学F7地裂缝；劳动公园F8地裂缝；F9八府庄地裂缝；F10辛家庙地裂缝；井上村F11地裂缝。(1)地裂缝具有三维活动性，即垂直差异运动、NNW方向水平伸展运动和NEE方向水平扭动，但以正断层运动为主，差异沉降速率较大，为0 ~ 525mm/a；水平拉伸次之，0 ~ 10mm/a；水平扭动最小，三维活动趋势基本一致[3]。(2)地裂缝的运动机制是蠕动-粘滑，历史上是长期缓慢的静态蠕动，但也伴随着多阶段的跳跃和滑动，直至突然产生位错粘滑。(3)地裂缝活动强度的差异:总的来说，南郊较强，F6、F7、F8较活跃，北郊较弱。同一地裂缝上，东、中段活动最大，西段活动强度小。如F6南、中段一般为218 ~ 344mm/月，西段为12 ~ 19mm/月。(4)地裂缝的周期性:Xi安地裂缝历史上有活跃期和平静期，表现出一定的周期性，与断层的周期性非常相似。同时，地裂缝活动有高潮和低潮。(5)可变性:以超长的活动速率、空间无规律的变化和反向活动为特征。例如，从19958 ~ 19969，最大垂直位错为120mm，活动速率为100mm/a，而1970 ~ 1990的平均速率仅为13 mm/a，由于地裂缝的持续活动，地裂缝周围的地质体发生位移，产生局部应力场和2理论分析2.1软弱面及其破坏准则Xi安大部分地裂缝由地表浮土或水流带来的淤泥质土充填，比周围土松散，地裂缝两侧的力学参数比周围土小。因此，本文将地裂缝视为相对于周围土体强度较弱的1面。地铁洞室开挖过程中，围岩可能沿软弱面破坏，也可能是围岩本身的塑性流动或拉伸破坏，这与围岩中软弱面的位置和产状密切相关。弱平面有两种:平面弱平面和空间弱平面。平面弱面假设与隧道轴线平行，也就是说这组弱面只需要1个参数——倾角β0。空间弱面是指弱面方向与隧道轴线不平行，存在夹角γ0。只有通过β0和γ0才能确定弱面的位置。当γ0=0时，空间弱面实际上变成了平面弱面。弱面土的强度由土体强度和弱面强度两部分组成，所以弱面土有两种破坏形式:1是土体部分的拉伸破坏或压剪破坏，另一种1是弱面本身的拉伸破坏或压剪破坏。在实际中，一般土体的强度与弱面的强度相差较大，也就是说只考虑弱面的破坏，而不考虑土体的破坏。根据郑颖人等人[4]的研究成果，弱面的破坏准则为:2.2地裂区圆形隧道围岩剪切带应力分布。圆形隧道围岩弱面应力不超过弱面强度时，围岩处于弹性状态。如果不考虑弱面的各向异性，可以用各向同性弹性力学计算围岩的应力和位移[5]。为了得到围岩剪切裂缝区的应力值，郑颖人等人提出了一种近似计算方法，其前提是围岩剪切裂缝区径向塑性应力σpγ的数值和分布形状与弹性应力σeγ大致相似，塑性区的主应力方向也与弹性力学场中的主应力方向相似，因此可以假定σpγ=σeγ，且与弹性应力场中的主应力方向相同。然后应用莫尔-库仑准则得到塑性区的切向应力σpθ和剪应力τpγθ，由此得出剪切区的塑性应力:3 Xi安地裂缝对围岩稳定性影响的研究。这里仅以Xi近期地铁工程一号线为例，一号线斜跨越三条地裂缝。一是在幸福路与长乐路交叉口与和平门地裂缝相交。地裂缝总揭露长度为10±40k m，走向约为NE70。地裂缝倾向南，倾角72° ~ 80°，开发区宽度55 ~ 110m。东段活动强烈，灾害严重。第二，在F7长乐西路与西工大-西北大学地裂缝相交。地裂缝总出露长度5.38 km，总体走向NE30，倾角85°，开发区宽24-55 m，西北大学附近活动性中等，破坏严重。第三，与F8莲湖路劳动公园地裂缝相交。地裂缝总长4 35km，总体走向NE75，倾角85°，开发区宽度15 ~ 45 m..城东、城西活动强烈，灾情严重。根据Xi安某工程实例50个土样的残余剪切值统计值，得出软弱土的物理力学指标为隧道周围岩土物理力学指标的1/6 ~ 1/2 (CJ值)和1/5 ~ 1/2 (φ j值)。在此范围内，CJ: 109kpa，φ j: 101。假设Xi地铁为半径r0=5m的圆形隧道，由于地裂缝的存在，地铁洞室围岩必然处于塑性状态。此时可假定侧压力系数λ=1，土的初应力为p = σ γ h(表1)。公式表明，地裂缝与坐标轴夹角在50度左右的区域是地裂缝对地铁洞室造成剪切裂缝破坏的区域，剪切裂缝面积最大。从表1和表2得到的每个地裂缝的倾角β0、剪切破碎带的最大半径和剪切破碎带边缘上的两个点得到的最不利角βl，可以估算出地裂缝存在并在地铁隧道围岩中引起剪切破碎带时剪切破碎带的位置。地裂缝存在时，地裂缝倾角不同，围岩中剪切破裂带的位置和形状也不同。4结论(1)Xi安市区有11条地裂缝，大致平行排列，总体走向为NE70，与临潼-长安断裂走向一致，地裂缝活动具有周期性和差异性。(2)将地裂缝视为软弱面，根据弹塑性理论和软弱面破坏准则，得出软弱面发生剪切破坏时的最不利角度为β 1 = 45 φ/2，计算了不同倾角的软弱面剪切破裂带的位置和范围，并结合F6三个地裂缝进行了实际计算。 F7、F8穿越Xi地铁一号线，得出Xi安地裂缝对地铁洞室造成剪切破坏时的最不利角度为50°左右，即地裂缝与给定坐标轴夹角为50°的地方是地裂缝对地铁洞室造成剪切破坏的地方，剪切裂缝带最大。

(3)Xi安地裂缝的破坏机制是复杂的，既有动态效应，也有静态效应。本文主要研究地裂缝在静止状态下对地铁隧道围岩稳定性的影响，但没有考虑地裂缝对隧道围岩的破坏作用，有待今后进一步研究。

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